СПОСОБ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СЫРЬЯ И МАТЕРИАЛОВ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области радиационного контроля материалов и веществ, конкретнее к контролю сырья, руд, материалов, лома, поступающих в транспортных средствах (автомобилях, железнодорожных вагонах) на перерабатывающие предприятия, в частности на металлургические заводы, и может быть использовано, например, для обнаружения радиоактивных источников и радиоактивных загрязнений в металлоломе.

Известен способ радиационного контроля объектов, заключающийся в том, что измеряют поток фонового излучения, затем поток излучения при расположении объекта в зоне контроля, сравнивают измеренный поток с потоком фонового излучения и при превышении измеренного потока величины фона делают заключение о наличии в объекте радиоактивности [1].

Устройство радиационного контроля, реализующее данный способ, содержит детекторы излучения, интенсиметры, блоки задания порога срабатывания, пороговые элементы, узел сигнализации, причем каждый из детекторов через интенсиметр подключен к пороговому элементу, связанному с блоком задания порога и узлом сигнализации [1].

Известен также способ радиационного контроля сырья и материалов в транспортных средствах, заключающийся в том, что транспорт перемещают между по крайней мере двумя детекторами, одновременно измеряют интенсивность регистрируемого детекторами излучения, сравнивают текущее значение интенсивности с порогом,. превышение которого сигнализирует о наличии радиоактивности в транспорте [2].

Устройство для реализации способа содержит по крайней мере два соосно расположенных детектора, по два интенсиметра, блока задания порога срабатывания, пороговых элемента, узла сигнализации, датчика присутствия транспорта в зоне контроля, причем каждый из детекторов подключен через интенсиметр к пороговому элементу, связанному с блоком задания порога и сигнализации [2].

Описанные способ и устройство обладают низкой надежностью обнаружения слабых источников радиации, что связано с влиянием транспортного средства на поток регистрируемого детекторами излучения. Транспорт ослабляет поток как фонового излучения, так и излучения источника, при этом различные транспортные средства по разному ослабляют регистрируемое детекторами излучение. Так большегрузный полностью загруженный ломом автомобиль ослабляет фоновый поток на 30-40%, а излучение источника в 100-200 раз. Малотоннажное средство фоновый поток ослабляет на 5-15%, а излучение источника в 20-30 раз. При перемещении транспорта между детекторами наблюдается непостоянство регистрируемого потока, что связано с непостоянством распределения массы по длине автомобиля (вагона). Изменения фонового потока по длине транспорта составляет 5-20%. Для обнаружения слабых источников радиации, например радионуклидных источников в глубине транспорта, порог срабатывания не должен превышать 4-6% от величины регистрируемого потока фонового излучения. Из-за непостоянства регистрируемого потока при прохождении транспорта между детекторами будут наблюдаться ложные срабатывания сигнализации в случае, если порог срабатывания составляет 5-6% от величины потока фонового излучения. Для исключения ложных срабатываний порог "загрубляют" до значений 15-20% от регистрируемого фонового потока, что эквивалентно снижению чувствительности контроля и надежности обнаружения слабых источников радиации (источников, находящихся в глубине транспорта, заполненного сырьем).

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение надежности обнаружения радионуклидных источников, расположенных в глубине заполненного сырьем транспортного средства. Такими источниками могут являться источники, помещенные в защитный контейнер, а также загрязненные радиоактивными веществами отдельные фрагменты металлолома, например трубы, поступающие с демонтируемых ядерных реакторов, нефтепроводов, бурильное оборудование, загрязненное естественными радионуклидами и др. Техническим результатом является снижение вероятности пропуска на предприятие радиоактивных материалов в виде локальных источников, расположенных по объему груза, при одновременном снижении влияния параметров транспортного средства и грузов и, как следствие, предотвращение радиационных аварий, например на металлургических предприятиях, переплавляющих лом, при попадании радионуклидов в плавильный агрегат. Ликвидация последствий только одной аварии требует затрат до 10 млн. долларов США.

Существенными признаками изобретения являются:
в способе радиационного контроля перемещение транспорта с сырьем между двумя детекторами излучения, измерение интенсивности регистрируемого детекторами излучения, вычитание текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого первым детектором, из текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого вторым детектором, сравнение текущих значений полученной разности интенсивностей излучения одновременно с двумя порогами, одинаковыми по абсолютному значению, но противоположными по знаку относительно нулевого значения интенсивности, фиксацию момента превышения разности интенсивностей порога, положительного относительно нулевого значения интенсивности, и момента снижения разности интенсивностей ниже порога, отрицательного относительно нулевого значения интенсивности, сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте в любом из указанных моментов, дополнительное дифференцирование полученной разности интенсивностей регистрируемого детекторами излучения, фиксацию момента превышения производной разности интенсивности порогового значения, положительного относительно нулевого значения интенсивности, и момента снижения производной ниже порогового уровня, отрицательного относительно нулевого значения, а сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте производят в случае, когда упомянутые моменты одновременно попадают во временной интервал, не превышающий отношения расстояния между детекторами к скорости перемещения транспорта.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения от наиболее близкого технического решения являются: вычитание текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого первым детектором, из текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого вторым детектором, сравнение текущих значений полученной разности интенсивностей одновременно с двумя порогами, одинаковыми по абсолютному значению, но противоположными по знаку относительно нулевого значения интенсивности, фиксацию момента превышения разности интенсивности порога, положительного относительно нулевого значения интенсивности, и момента снижения разности интенсивности ниже порога, отрицательного относительно нулевого значения интенсивности, сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте в любой из указанных моментов. Указанные признаки обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Следующие отличительные признаки: дополнительное дифференцирование полученной разности интенсивностей регистрируемого детекторами излучения, фиксацию момента превышения производной разности интенсивности порогового значения, положительного относительно нулевого значения интенсивности, и момента снижения производной ниже порогового уровня, отрицательного относительно нулевого значения, а сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте производят в случае, когда упомянутые моменты одновременно попадают во временной интервал, не превышающий отношения расстояния между детекторами к скорости перемещения транспорта, характеризуют изобретение в случаях, когда интенсивности регистрируемого детекторами фонового излучения изменяются с течением времени по разному для каждого детектора.

Существенными признаками заявляемого устройства являются:
два соосно расположенных детектора, два интенсиметра, два блока задания порога срабатывания, четыре пороговых элемента, датчик присутствия, узел сигнализации, блок измерения разности сигналов, схема дифференцирования, схема совпадений, причем два пороговых элемента имеют положительный, а два других отрицательных относительно нулевого уровня сигнала пороги срабатывания, выходы детекторов через интенсиметры подключены ко входам блока измерения разности сигналов, выход которого связан со входами первого и второго пороговых элементов и через схему дифференцирования - со входами третьего и четвертого пороговых элементов, выходы первого и второго пороговых элементов подключены к входам узла сигнализации, выходы третьего и четвертого пороговых элементов связаны со схемой совпадений, связанной с узлом сигнализации, один из блоков задания порога срабатывания подключен к первому и второму пороговому элементам, а другой - к третьему и четвертому пороговым элементам.

Отличительными признаками устройства являются:
блок измерения разности сигналов, причем пороговые элементы имеют положительный и отрицательный относительно нулевого уровня сигнала пороги срабатывания, выходы детекторов через интесиметры подключены ко входам блока измерения разности сигналов, выход которого связан со входами первого и второго пороговых элементов, выходы которых подключены ко входам узла сигнализации. Указанные признаки обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Нижеследующие признаки характеризуют изобретение в случаях, когда интенсивности регистрируемого детекторами фонового излучения изменяются с течением времени по разному для каждого детектора:
два дополнительных пороговых элемента, схема дифференцирования, схема совпадений, причем выход блока измерения разности сигналов через схему дифференцирования связан со входами дополнительных пороговых элементов, выходы которых подключены к схеме совпадений, связанной с узлом сигнализации.

Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - блок-схема устройства по основному пункту формулы изобретения;
Фиг. 2 - блок-схема части устройства, относящаяся к дополнительному пункту формулы изобретения;
Фиг. 3 - расположение транспортного средства в зоне контроля (вид сзади);
Фиг. 4 - расположение транспортного средства в зоне контроля (вид сверху);
Фиг. 5 - изменение интенсивности регистрируемого детекторами излучения при проезде малотоннажного (а) и крупнотоннажного (б) транспортного средства между детекторами;
N_ф - интенсивность фонового излучения в отсутствии транспорта между детекторами;
N_т - интенсивность фонового излучения при расположении транспорта между детекторами;
N_пор - величина порога срабатывания в устройстве - прототипе;
N_и - интенсивность излучения источника радиации;
ΔN - величина интенсивности излучения источника, вызывающая срабатывание системы контроля.

Фиг. 6 - разность показаний детекторов при проезде транспорта с источником, расположенным ближе ко второму детектору;
Фиг. 7 - то же для источника, расположенного ближе к первому детектору;
Фиг. 8 - разностный сигнал при различном уровне фонового излучения, регистрируемого каждым детектором.

N - разность интенсивностей фонового излучения детекторов.

Фиг. 9 - сигнал на выходе схемы дифференцирования.

Устройство радиационного контроля (фиг. 1, 2), реализующее способ, содержит первый и второй детекторы 1, 2, интенсиметры 3, 4, блок 5 измерения разности сигналов, пороговые элементы 6, 7, блок 8 задания порогов срабатывания, узел 9 сигнализации, датчик присутствия 10, схему 11 дифференцирования, дополнительные пороговые элементы 12, 13, схему 14 совпадений, блок 15 задания порогов срабатывания.

На фиг. 3, 4 показано транспортное средство 16 (автомобиль), заполненное сырьем 17, в котором расположен источник 18 радиации.

В качестве детекторов 1, 2 могут применяться крупногабаритные пластмассовые сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями. Объем сцинтилляторов составляет 2-20 литров. Элементы 3-14 выполняются либо на дискретных схемах, выполняющих описанные функции элементов, либо на основе программируемого многофункционального средства (микропроцессора).

Способ осуществляется следующим образом. В исходном состоянии, когда транспорт в зоне контроля отсутствует, детекторы фиксируют интенсивность фонового излучения, которой соответствует определенная скорость счета фона N_ф (фиг. 5). В соответствии с величиной N_ф блоки 8, 15 устанавливают пороги срабатывания N_пор, превышающие фоновое значение на величину в 3-5 раз большую, чем среднеквадратичный разброс величины N_ф (фиг. 6, 7, 9). При появлении транспорта в зоне контроля срабатывает датчик 10 присутствия (например, фотоэлектронный) и величины порогов N_пор устанавливаются на входах пороговых элементов 6, 7, 12, 13. До срабатывания датчика 10 пороги элементов 6, 7, 12, 13 превышают максимальные отклонения интенсивности регистрируемого излучения, в связи с чем срабатывание упомянутых элементов возможно лишь в присутствии транспорта между детекторами.

Малотоннажное средство ослабляет фоновое излучение в меньшей степени, чем крупнотоннажное длинномерное (фиг. 5). В связи с неопределенностью изменения величины N_т порог срабатывания N_пор в прототипе должен быть установлен так, чтобы не возникло ложных срабатываний устройства при изменении величины N_т. Указанная величина может изменяться на 10-40% от значения N_ф в зависимости от типа транспортного средства и распределения массы материала по длине транспортного средства и распределения массы материала по длине транспорта. Поэтому порог N_пор должен превышать M_тmax (фиг. 5) на 3-5 значений среднеквадратичного разброса величины N_ф. В это связи при проезде крупнотоннажного транспорта устройство срабатывает от источника радиации, скорость счета которого Δ N₂ значительно превысит величину Δ N₁ для малотоннажного средства. Реально величина Δ N₂ составляет 10-20% от N_ф (10-20 н Зв/ч), что в 2-4 раза превышает величину N_пор - N_ф (чувствительность контроля). Таким образом, различие ослабления фонового потока разными транспортными средствами приводит в прототипе к ухудшению чувствительности в 2-4 раза.

Для снижения влияния транспортного средства на чувствительность контроля, что эквивалентно ее улучшению и, как следствие, к повышению надежности обнаружения слабых источников радиации в заявленном способе производят вычитание текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого первым детектором, из текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого вторым детектором. В случае, если источник 18 расположен ближе к детектору 1, то формируется разностный сигнал, отрицательный относительно нулевого значения интенсивности (фиг. 7). В противном случае сигнал положителен относительно нуля (фиг. 6). При появлении либо положительного, либо отрицательного сигнала срабатывает либо пороговый элемент 6, либо пороговый элемент 7 и, как следствие, узел 9 сигнализации, фиксирующий наличие источника в транспорте с сырьем. Вследствие того, что разность сигналов детекторов при отсутствии источника в транспорте практически постоянна при его проезде через зону контроля, величина N_пор выбирается лишь из условия превышения порога 4-6 значений среднеквадратичного разброса величины N_ф. Само же транспортное средство на величину чувствительности влияния в данном случае не оказывает, т.к. фоновый сигнал при проезде транспорта между детекторами изменяется практически одинаково для каждого детектора.

Вследствие сильного ослабления излучения источника загруженными в транспортное средство материалами (приблизительно 5 см материала ослабляет поток излучения в 2 раза), реакция детекторов на наличие источника в транспорте будет существенно различной. В результате при проезде транспорта будет фиксироваться положительный или отрицательный сигнал (фиг. 6, 7) в зависимости от того, к какому из детекторов ближе расположен источник.

В случае, если при отсутствии источника сигналы детекторов отличаются на величину N (фиг. 8), что может быть вызвано, например, различием чувствительности детекторов, то при появлении источника он может быть обнаружен путем дифференцирования разностного сигнала и фиксации момента перехода производной сигнала через нуль (фиг. 9). Это позволит скомпенсировать изменения сигналов детекторов во времени, например, из-за нестабильности коэффициентов усиления детекторов, которая может привести к смещению разностного сигнала относительно нуля (фиг. 8).

Примеры реализации способа.

1. Контролируется металлолом в автомобиле типа ЗИЛ грузоподъемность 5 т, длина автомобиля 7 м, скорость перемещения автомобиля V = 8 км/ч (2,2 м/с), расстояние между детекторами 1=5 м. Скорость счета импульсов детекторов, соответствующих фону без транспорта (N_ф) - 4000 имп/с, величина N_т = 3400 ипм/с. Пороги срабатывания элементов 6,7 при времени усреднения интенсиметра 1с составляют ≈ 250 имп/с Длительность выходных импульсов пороговых элементов 12,13 устанавливается ≥ I/V (3 секунды). В этом случае в транспорте выявляются источники, интенсивность излучения которых создает скорость счета импульсов детекторов более 250 ипм/с, что меньше величины N_ф - N_т более, чем в 2 раза.

2. При тех же условиях, что и в примере 1, только величина N_ф для первого детектора 4100 имп/с, а для второго - 3900 имп/с (N = 4100 - 3900 = 200 имп/с). После дифференцирования разностного сигнала компенсируется различие между скоростями счета фона обоих детекторов и выявляется источник радиации величиной, соответствующей величине источника, выявляемого в примере 1, т.е. не происходит ухудшение чувствительности за счет различия показаний детекторов.

3. Контролируется металлолом в автомобиле типа КАМАЗ грузоподъемностью 10 т, длина автомобиля 12 м, скорость перемещения V=6 км/ч, расстояние между детекторами 1=5 м. Величины N_ф = 4000 имп/с, N_т = 2800 имп/с. При тех же порогах срабатывания и длительности выходных импульсов пороговых элементов выявляется источник, интенсивность излучения которого создает скорость счета импульсов детекторов более 250 ипм/с, что меньше величины N_ф - N_т приблизительно в 5 раз. Таким образом вне зависимости от изменения условий контроля обеспечивается сохранение постоянной высокой чувствительности выявления источников радиации.

Источники информации
1. Патент РФ N 2094821, кл. G 01 T 1/167, 1994 г.

2. Валуев Н.П. и др. Бюллетень научно-технической и экономической информации "Черная металлургия" , 1997 г., вып. 9/10, с. 10-17.

Использование: изобретение относится к области радиационного контроля материалов и веществ, конкретнее к контролю сырья, руд, материалов, лома, поступающих в транспортные средства. Сущность изобретения заключается в том, что при проезде транспортного средства между двумя детекторами излучения фиксируется сигнал, пропорциональный разности сигналов детекторов. Разностный сигнал поступает на пороговые элементы, имеющие положительный и отрицательный пороги срабатывания. При срабатывании одного из пороговых элементов включается сигнализация, фиксирующая наличие радиоактивного источника в транспорте. Предусмотрены дифференцирование разностного сигнала и фиксация перехода производной этого сигнала через нуль. Устройство для осуществления способа радиационного контроля включает в себя два соосно расположенных детектора, два интенсиметра, блок задания порога срабатывания, пороговые элементы, датчик присутствия, узел сигнализации, блок измерения разности сигналов, схемы дифференцирования и совпадения. Причем один из пороговых элементов имеет положительный, а другой отрицательный относительно нулевого уровня пороги срабатывания. Технический результат: снижение вероятности пропуска на предприятие радиоактивных материалов в виде локальных источников, расположенных по объему груза, при одновременном снижении влияния параметров транспортного средства и грузов и, как следствие, предотвращение радиационных аварий. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ радиационного контроля сырья и металлов в транспортных средствах, включающий перемещение транспорта между двумя детекторами излучения, измерение интенсивности регистрируемого детекторами излучения, сигнализацию наличия радиоактивности в транспортном средстве, отличающийся тем, что в процессе перемещения транспортного средства производят вычитание текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого первым детектором, из текущих значений интенсивности излучения, регистрируемого вторым детектором, сравнение текущих значений полученной разности интенсивностей излучения одновременно с двумя пороговыми значениями разности интенсивностей, одинаковыми по абсолютному значению, но противоположными по знаку относительно нулевого значения интенсивности излучения, фиксацию момента превышения разности интенсивностей излучения порогового значения, положительного относительно нулевого значения, и момента снижения разности интенсивности ниже порога, отрицательного относительно нулевого значения, а сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте производят в любой из указанных моментов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят дифференцирование полученной разности интенсивностей регистрируемого детекторами излучения, фиксацию момента превышения производной разности интенсивностей положительного относительно нулевого значения порога, и момента снижения производной ниже порога, отрицательного относительно нулевого значения, а сигнализацию наличия радиоактивности в транспорте производят в случае, когда упомянутые моменты одновременно попадают во временной интервал, не превышающий отношения расстояния между детекторами к скорости перемещения транспортного средства. 3. Устройство для радиационного контроля, содержащее два соосно расположенных детекторов, два интенсиметра, блок задания порогов срабатывания, два пороговых элемента, датчик присутствия, узел сигнализации, причем выходы детекторов подключены к входам интенсиметров, а упомянутый датчик - к блокам задания порогов, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком измерения разности сигналов, при этом один из пороговых элементов имеет положительный, а другой отрицательный относительно нулевого уровня сигнала пороги срабатывания, выходы интенсиметров подключены ко входам блока измерения разности сигналов, выход которого связан со входами упомянутых пороговых элементов, выходы которых подключены ко входам узла сигнализации. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными пороговыми элементами с положительным и отрицательным относительно нулевого уровня сигнала порогами срабатывания, блоком задания порогов срабатывания упомянутых пороговых элементов, схемой дифференцирования, схемой совпадений, причем выход блока измерения разности сигналов через схему дифференцирования связан со входами дополнительных пороговых элементов, выходы которых подключены к схеме совпадений, связанной с узлом сигнализации.